基于線翎電鰻運(yùn)動(dòng)模式的水陸兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)*

肖杰康，黃永欣，林鎮(zhèn)煒，黃明威

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 引 言

在地球上有著多種環(huán)境，在未知環(huán)境中許多未知環(huán)境存在著危險(xiǎn)的陷阱，例如空氣氧氣含量，空氣中是否存在有毒氣體，巖洞中是否存在異生物或坍塌的危險(xiǎn)等；除此之外，當(dāng)生活中發(fā)生一些意外事故，如樓房坍塌，地震以及爆炸等，這些都需要對(duì)災(zāi)后環(huán)境進(jìn)行勘察，以確保災(zāi)后環(huán)境修復(fù)過(guò)程中工作人員的生命安全。以上情況都是人類無(wú)法親自進(jìn)行探測(cè)的。在這種情況下，探測(cè)機(jī)器人是有必要的。

另外，絕大多數(shù)的水下推進(jìn)器采用了螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)螺旋槳葉在水中的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)水流向后運(yùn)動(dòng)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推進(jìn)器向前推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。以螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)的水下推進(jìn)器，存在諸多缺點(diǎn)，例如系統(tǒng)體積大、重量大、瞬時(shí)響應(yīng)的嚴(yán)重滯后、能量轉(zhuǎn)化率低、效果差、可靠性難以保證、機(jī)動(dòng)性能差、推進(jìn)噪音大以及產(chǎn)生較大尾渦等先天性的劣勢(shì)。

筆者提出一種能代替探測(cè)人員在復(fù)雜狹窄等未知環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)單勘測(cè)，擁有類魚(yú)類MPF運(yùn)動(dòng)模式(Median and/or Paired Fin,中央鰭/對(duì)鰭模式)的水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人在水下運(yùn)用魚(yú)胸鰭的運(yùn)動(dòng)方式，擁有良好的運(yùn)動(dòng)性能，游動(dòng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，魚(yú)鰭受載面積大，游動(dòng)擾動(dòng)小，游動(dòng)效率高的特點(diǎn)。其超凡的游動(dòng)機(jī)動(dòng)性能、低擾動(dòng)性和高效性是傳統(tǒng)的水下螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)所望塵莫及的。另外，通過(guò)對(duì)仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)胸鰭進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在不改變其在水下的運(yùn)動(dòng)的情況下，讓其擁有在陸地、沙灘、沼澤及雪地上運(yùn)動(dòng)的能力，擴(kuò)大了探測(cè)機(jī)器人的可探測(cè)范圍，并且確保了其能在一系列的環(huán)境上能精確的執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。

1 水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人的主體設(shè)計(jì)

1.1 仿生運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]

此次研究的仿生對(duì)象：線翎電鰻，身體呈刀型，全身漆黑如墨，造型奇特，因此又稱“黑魔鬼”。屬大型魚(yú)，成魚(yú)體長(zhǎng)45～50 cm，最長(zhǎng)可長(zhǎng)至60 cm。如圖1所示，尾柄突出如棒狀，身體呈刀型，體形側(cè)扁，背部光滑呈弧線形，腹鰭和臀鰭相連，呈波浪狀直達(dá)尾部。沒(méi)有背鰭，臀鰭寬大而發(fā)達(dá)，尾鰭延長(zhǎng)似棒狀。線翎電鰻的運(yùn)動(dòng)模式的就是通過(guò)腹鰭和臀鰭進(jìn)行正弦波浪式擺動(dòng)從而推動(dòng)身體在水中移動(dòng)。文中根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行仿生并優(yōu)化拓展，最后得出此文水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，其為水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 線翎電鰻 圖2 機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分為仿生正弦波浪式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、水陸運(yùn)動(dòng)模式切換結(jié)構(gòu)以及固定結(jié)構(gòu)。其中仿生正弦波浪式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要功能是模擬線翎電鰻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)類魚(yú)類MPF運(yùn)動(dòng)模式，讓機(jī)器人能在水中能夠進(jìn)行快速移動(dòng)，并且擁有噪音低，水面擾動(dòng)小的特點(diǎn)；在陸地上也能夠以此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能。

仿生正弦波浪式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)主要由兩個(gè)曲軸(見(jiàn)圖4)、多個(gè)擺動(dòng)桿(見(jiàn)圖5)以及固定框架(見(jiàn)圖6)等機(jī)構(gòu)組合構(gòu)成，并且分別由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪減速傳動(dòng)控制。

圖3 仿生正弦波浪式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖4 曲軸 圖5 擺動(dòng)桿 圖6 固定框

曲軸并非是一體化加工。一體化加工該曲軸會(huì)存在一定的缺點(diǎn)，如加工價(jià)格貴，加工工藝復(fù)雜，加工成品剛度難以保證等，因此我們的曲軸是通過(guò)多個(gè)零件拼接而成，保證其在擁有足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)方便加工。

如圖7所示，曲軸一共由七種零件組成，分別是主轉(zhuǎn)動(dòng)軸、次轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)軸、主軸板、次軸板、軸板和限制軸板組成。主轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用是傳動(dòng)齒輪進(jìn)行固定配合，使步進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩可通過(guò)該齒輪傳遞到曲軸上；次轉(zhuǎn)動(dòng)軸的裝配位置與主轉(zhuǎn)動(dòng)軸同心，保證曲軸可以順利旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)軸的作用是與擺動(dòng)桿進(jìn)行配合，限制擺動(dòng)桿直槽部分不會(huì)脫離曲軸，同時(shí)把曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)桿的搖擺運(yùn)動(dòng)；主軸板、次軸板、軸板和限制軸板的作用都是用于連接相鄰兩軸件，保證每個(gè)相鄰的軸頸相位差為40°。另外限制軸板與固定框配合，限制曲柄的最大彎曲，避免曲軸在瞬間過(guò)載的情況下發(fā)生崩斷。

圖7 曲柄

擺動(dòng)桿除了與轉(zhuǎn)軸配合外，還有一個(gè)圓孔與支軸桿進(jìn)行配合。該配合是讓支軸桿成為擺動(dòng)桿搖擺的擺心。

運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由左右兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)裝置構(gòu)成，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置相同，由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)與其相連的齒輪，通過(guò)齒輪配合，帶動(dòng)連有18個(gè)擺動(dòng)桿的曲軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)軸頸配合一個(gè)支桿，所有支桿的圓孔都連接著同一個(gè)支軸桿，支軸桿相對(duì)固定不動(dòng)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使曲軸進(jìn)行周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，讓支桿達(dá)到正弦運(yùn)動(dòng)的效果，也就是類似線翎電鰻魚(yú)胸鰭的運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)兩邊支桿進(jìn)行裹膠處理(如圖8)后，使其變成翼狀后，由左右兩邊運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)配合可以使得機(jī)器可以在水中靈活的進(jìn)行前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎等行為，另外通過(guò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的變換，還可以令機(jī)器可以在陸地上行動(dòng)。

圖8 裹膠處理

水陸運(yùn)動(dòng)模式切換結(jié)構(gòu)如圖9(a)設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)180°舵機(jī)、4個(gè)小齒輪(模數(shù)2，齒數(shù)32)、4個(gè)大齒輪(齒數(shù)44)以及仿生正弦波浪式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)支軸桿組成。

水陸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工作原理：轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由前后兩個(gè)聯(lián)立的運(yùn)動(dòng)裝置構(gòu)成，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置關(guān)于中心原點(diǎn)對(duì)稱，分別有一個(gè)180°舵機(jī)與一組齒輪機(jī)構(gòu)相連，齒輪機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)大齒輪(如圖10)都有一直徑和支軸桿直徑大小一致的圓孔，通過(guò)其圓孔與支軸桿相連，兩大齒輪的圓孔關(guān)于齒輪機(jī)構(gòu)中心軸對(duì)稱。在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中各個(gè)齒輪軸皆已固定。當(dāng)兩舵機(jī)同時(shí)向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即可控制支軸桿做圓周運(yùn)動(dòng)，從而改變運(yùn)動(dòng)模式，如水上運(yùn)動(dòng)模式見(jiàn)圖9(b)變成陸上運(yùn)動(dòng)模式見(jiàn)圖10(c)。

圖9 水陸運(yùn)動(dòng)模式切換結(jié)構(gòu)

圖10 大齒輪

固定結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11由兩個(gè)內(nèi)定位架見(jiàn)圖12和兩個(gè)外定位架見(jiàn)圖13組成。

圖11 支架 圖12 內(nèi)定位架

圖13 外定位架

內(nèi)定位架中的方槽、圓槽及其兩槽周圍的四個(gè)圓孔的作用分別為步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)作固定，四角的圓孔的作用是與外定位架做距離控制及相對(duì)固定，剩余的圓孔是為切換結(jié)構(gòu)中的小齒輪作定位固定。外定位架中最兩邊的兩個(gè)圓孔的作用是定位并固定兩條曲軸。在其后側(cè)中兩凸起的圓柱作用是定位并固定切換結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)小齒輪。中央圓孔作用是定位并固定運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)齒輪。最下方的橫向板的作用是方便整個(gè)水陸兩棲運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)更好地固定在其他機(jī)架中。

1.2 下殼部分

如圖14所示，機(jī)器人的下殼部分集成了許多功能，是本文設(shè)計(jì)一個(gè)重點(diǎn)之一。如圖2所示，機(jī)器人下殼內(nèi)承載的許多部件，為了保證機(jī)器內(nèi)部構(gòu)件的穩(wěn)定性及其裝配的精確性。下殼內(nèi)部有著許多定位孔位以及夾板，筋板等結(jié)構(gòu)?？孜坏淖饔檬菍?duì)仿生運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位限制，減少運(yùn)動(dòng)期間的晃動(dòng)；固定機(jī)器人內(nèi)部的電子元器件，如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、升壓模塊、STM32主板以及電池；下殼內(nèi)部的四個(gè)夾板是為了與運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上的固定框連接。另外在下殼的上表面也同樣有著孔位，其中前后兩端的孔是用于和上殼配合，左右兩側(cè)的孔位則是為了方便運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)外伸處防水膜的安裝。

圖14 下殼

下殼的整體外型是對(duì)稱的，而且前后兩端呈扁平狀。對(duì)稱性的外殼設(shè)計(jì)使機(jī)器人無(wú)固定的移動(dòng)前端，方便其在水中的平穩(wěn)靈活移動(dòng)，保證其在水上運(yùn)動(dòng)時(shí)候的協(xié)調(diào)。扁平狀的設(shè)計(jì)是為了減少機(jī)器人在水面上運(yùn)動(dòng)時(shí)候受到的水面阻力。

由于下殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)；而且下殼的材料的密度不宜過(guò)大，避免機(jī)器人裝配后整體密度過(guò)大，使其難以在水上懸浮。因此本文推薦使用新型的制造方法:3D打印，并且使用尼龍材料。

尼龍材料的優(yōu)點(diǎn)耐高溫、韌性好、強(qiáng)度高，可以作為功能件使用，適合結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的產(chǎn)品。以下是該材料的性能參數(shù):

熱變形溫度(0.45 MPa)(GB/T 1040.2-2006)：145 ℃；斷裂延展率(GB/T 1040.2)：36%(考察材料是否適合攻絲、卡扣等韌性要求的重要指標(biāo)，該材料適合5～10次攻絲)；彎曲強(qiáng)度(GB/T 1040.2)：46.3 MPa；熱變形溫度(1.8 MPa)(GB/T 1040.2-2006)：82 ℃；拉伸模量(GB/T 1040.2)：1600 MPa；拉伸強(qiáng)度(GB/T 1040.2)：46 MPa；熔點(diǎn)：183 ℃；彎曲模量(GB/T 1040.2)：1300 MPa；缺口沖擊強(qiáng)度(GB/T 1843)：4.9 kj/m2(相當(dāng)于 ASTM Method D256A 標(biāo)準(zhǔn)下 49 J/m,為考察材料是否容易摔壞、斷裂的重要指標(biāo)，4 mm厚度的該材料產(chǎn)品70cm高度下自然落體不會(huì)破裂)；無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度(GB/T 1843)：13.2 kj/m2(相當(dāng)于 ASTM Method D256A 標(biāo)準(zhǔn)下 130 J/m,為考察材料是否容易摔壞、斷裂的重要指標(biāo)，4 mm厚度的該材料產(chǎn)品70 cm高度下自然落體不會(huì)破裂)；介電常數(shù) 60 Hz：3.5。

1.3 上殼部分

如圖15所示，上殼的主要作用就是與下殼形成密封腔體，確保內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件有足夠的運(yùn)動(dòng)空間的同時(shí)，防止外環(huán)境中流體的滲入。除此之外，由于機(jī)器人的防水性要求高，因此在機(jī)器人裝配完成后，上下殼不易于拆卸。但是機(jī)器人的電池在非工作狀態(tài)的時(shí)候應(yīng)該與被供電元件斷開(kāi)連接，避免電池能量的不必要浪費(fèi)；電池需要在電量不足的時(shí)候及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)給；裝配完成后的機(jī)器人需要進(jìn)行調(diào)試，主板與電腦需要多次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此上殼的中部有一個(gè)腔體，其作用是給內(nèi)部電源安裝開(kāi)關(guān)按鈕、主板數(shù)據(jù)傳輸口以及電源充電口。最后腔體上有一個(gè)密封防水蓋，以防止水滲入導(dǎo)致電器元件短路燒壞。

圖15 上殼 圖16 各結(jié)構(gòu)連接示意圖

1.4 結(jié)構(gòu)防水部分[2]

水陸兩棲仿生線翎電鰻機(jī)器人的外形扁平狀，同時(shí)魚(yú)體內(nèi)部有電機(jī)和其他傳動(dòng)部件，必須合理的處理各個(gè)部位的防水靜密封和動(dòng)密封問(wèn)題。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮不同部位的密封形式和特點(diǎn)，按照不同密封部位采用不同密封方法的原則，分類處理，做好各個(gè)部位的防水密封處理。

硅膠墊是硅膠制品中市場(chǎng)需求比較多的一類產(chǎn)品。有一定的張力、柔韌性、優(yōu)良的絕緣性、耐壓，耐高溫，耐低溫，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)保安全、無(wú)異味，食品級(jí)硅膠墊具有無(wú)毒無(wú)味，不溶于水和任何溶劑，是一種高活性的綠色產(chǎn)品。此外硅膠墊也是工業(yè)上一種常用的結(jié)構(gòu)裝配防水材料。使用該材料作為機(jī)器人的防水材料在滿足其防水性的同時(shí)也可以避免其對(duì)水環(huán)境造成不必要的破壞和污染。

如圖16所示，機(jī)器人的各連接處都應(yīng)該需要相應(yīng)形狀的硅膠墊片進(jìn)行防水處理，通過(guò)螺栓螺母配合使兩連接件夾緊中間的硅膠墊片，從而達(dá)到防水的效果。

1.5 程序控制部分[3]

水陸兩棲仿生線翎電鰻探測(cè)機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換而成，因此我們只需要簡(jiǎn)單的控制兩邊的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就能使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。但是由于機(jī)器人的正弦波浪式運(yùn)動(dòng)受兩邊外伸魚(yú)翼共同控制，為了保證機(jī)器人能穩(wěn)定的執(zhí)行前進(jìn)以及轉(zhuǎn)向功能，我們要保證兩曲軸的初始狀態(tài)應(yīng)該是對(duì)稱的，且記其為零點(diǎn)位置，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中應(yīng)該注意并記錄兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的相位差，在執(zhí)行前進(jìn)以及轉(zhuǎn)向命令時(shí)，應(yīng)該先讓兩軸回到零點(diǎn)位置。保證兩魚(yú)翼在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)生的推力平衡，從而保證機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確性。

除步進(jìn)電機(jī)外，舵機(jī)的控制也有一定的限制，舵機(jī)控制的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上的支軸桿應(yīng)該時(shí)水平的，不水平的支軸桿容易因?yàn)檫^(guò)大的彎曲變形而導(dǎo)致斷裂，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)失效。因此兩舵機(jī)只能同時(shí)且同向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)該是一致的。

2 結(jié) 語(yǔ)

文中較為詳細(xì)的介紹了一種基于線翎電鰻運(yùn)動(dòng)模式的水陸兩棲機(jī)器人的設(shè)計(jì)意義及其設(shè)計(jì)內(nèi)容，提出了各個(gè)模塊的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)水陸兩棲機(jī)器人的制作方案。通過(guò)多次實(shí)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證該機(jī)器人的水陸運(yùn)動(dòng)模式能在現(xiàn)實(shí)水陸環(huán)境中進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)。基于線翎電鰻運(yùn)動(dòng)模式的水陸兩棲機(jī)器人的設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境檢測(cè)工作有一定的貢獻(xiàn)。